矿用透射式检测用X 射线源的辐射性能与安全性能研究

李者，王文清

（1. 中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113112；2. 北京工业职业技术学院 科研处，北京 100042；3. 北京市煤炭矿用机电设备技术开发有限公司，北京 100042）

0 引言

X 射线透射式检测广泛应用于煤矿安全生产中。X 射线探伤仪用于立井提升钢丝绳无损检测及带式输送机的强力胶带内部钢丝绳芯、接头状态检测，有效消除了钢丝绳断绳[1-2]、胶带断裂[3-5]等隐患。X 射线胶带秤用于对移动带式输送机运输的物料进行非接触在线动态称重，减少了计量误差[6-8]。X 射线灰分仪用于对带式输送机运输的原煤煤质进行在线分析，有效控制了原煤中的含矸量[9-10]。X 射线选矸机用于对胶带运输的煤矸石进行在线分拣，降低了工人劳动强度[11-12]。

X 射线源作为X 射线透射式检测的核心组成设备，其稳定性与可靠性决定了X 射线透射式检测性能。不同用途的X 射线透射式检测对X 射线源的辐射输出功率需求也不同。随着被检测物质量厚度的增大，X 射线源的辐射输出功率和工作温度也增大，增加了安全风险。

本文针对矿用X 射线源在煤矿应用环境的特殊性，提出了在矿用X 射线源的隔爆外壳上设置X 射线透窗来增加矿用X 射线源的辐射输出，以保证矿用X 射线源的辐射性能满足X 射线透射式检测的性能要求；针对矿用X 射线源工作温度和屏蔽防护的要求，提出了X 射线管宜选用陶瓷壳体、X 射线管阳极与金属外壳直接固定的方案，以保证矿用X 射线源的安全性能满足GB/T 3836.1-2021《爆炸性环境第1 部分:设备 通用要求》和GBZ 125-2009《含密封源仪表的放射卫生防护要求》的要求，使矿用X 射线源能在煤矿井下可靠工作。

1 X 射线的特性和产生

X 射线是高能电磁辐射的一种形式。大多数X 射线的波长范围为0.03～3 nm，对应的频率范围为3×1016～3×1019Hz，能量范围为100 eV～200 keV，具有较强的穿透性。

X 射线由X 射线管产生。X 射线管的阴极灯丝通电加热后产生电子，电子在阴阳两极高压电场的作用下加速飞向阳极，形成高速电子流，高速电子流撞击到阳极靶面后产生X 射线。X 射线管的管电压决定了X 射线的最高能量谱；X 射线管的管电流决定了单位时间内打靶电子数量；X 射线管的管电压与管电流共同决定了X 射线辐射强度。

2 普通X 射线源的辐射输出性能

为保证X 射线透视式检测的精度和辐射安全，X 射线源设计的核心任务：在X 射线源的辐射输出窗口区域内，X 射线应满足X 射线透射式检测的辐射强度、最小分辨率要求；在X 射线源的辐射输出窗口区域外，X 射线的泄漏应尽可能小，避免X 射线源对周围环境产生辐射影响。

2.1 普通X 射线源的选择

X射线透过物质时会衰减。假设单一能量X射线穿过均匀物体，其初始强度为N0，出射时的强度衰减为N，两者的关系符合指数衰减规律：

式中：µ为物质的吸收系数，m-1；t为X射线在物质中的辐射距离，m。

X射线的能量越低，穿透物质的能力越弱，对低面密度的物质变化越敏感。从X 射线透射式检测的灵敏度（对低面密度量的物质的鉴别力）来看，X射线的能量不宜过高，过高能量的X 射线在检测低面密度量的物质时的衰减量小，检测分辨率差；从X 射线透射式检测的范围来看，X射线的能量不宜过低，过低能量的X 射线在检测高面密度量的物质时的衰减量太大，检测范围小。

综合考虑X 射线透射式检测的性能要求，X 射线源体积、质量及便携性等因素，管电压在100～160 kV 之间选取，管电流控制在0.1～4 mA。

2.2 普通X 射线源的辐射功率

X 射线管产生的X 射线是连续光谱，单位时间内X 射线源的辐射功率近似为[13]

式中：a0为常数，约为1.0×10-9V-1；Z为阳极靶材料的原子序数，阳极靶材料选用钨，原子序数为74；I为管电流，mA；U为管电压，kV。

输入X 射线管的电能在阳极靶上一小部分转换成X 射线的辐射能量，另一大部分转换成热能。X 射线源的辐射能量转换效率为

由式（3）可得不同管电压下钨靶的X 射线源辐射能量转换效率η，热能转换效率约为1 -η，结果见表1。

表 1 不同管电压下钨靶的X 射线转换效率Table 1 X-ray conversion efficiency of tungsten target under different tube voltages

X 射线源在煤矿选矸识别透射式检测领域应用的最大管电压为160 kV、最大管电流为4 mA。该应用环境下，在煤矿地面应用的普通X 射线源的最大辐射功率为

2.3 普通X 射线源的辐射输出功率

对于400 kV 以下管电压产生的X 射线，通常认为是以阳极靶中心为球心向空间四周均匀辐射。为减少X 射线辐射对环境造成的影响，需要在X 射线管周围制作一个屏蔽体，把X 射线限制在屏蔽体内，通过辐射输出窗口输出X 射线。

在屏蔽体上，以X 射线管阳极靶中心为球心，在半径R=6.928 cm 的球体上开设一个圆心角为60°、宽为1 cm 的扇形窗口作为X 射线源的辐射输出窗口，如图1 所示。

图 1 X 射线源的辐射输出窗口Fig. 1 Radiation output window of X-ray source

根据图1，X 射线源的辐射输出功率为

式中：S1为辐射输出窗口面积，cm2；S2为半径R=6.928 cm 的球体表面积，cm2。

计算可得在煤矿地面应用的普通X 射线源的最大辐射输出功率为

3 矿用X 射线源的辐射输出性能

3.1 隔爆外壳对X 射线辐射输出的影响

由于矿用X 射线源所需的供电功率远大于GB/T 3836.4-2021《爆炸性环境 第4 部分:由本质安全型“i”保护的设备》表A.1 给出的本安设计功率限值（DC18 V、2 110 mA），矿用X 射线源只能设计成隔爆型，即把普通X 射线源内置在一个由金属制成的隔爆外壳里。

隔爆外壳通常采用Q235 钢板制造，所用钢板的厚度与隔爆外壳的容积有关。按GB/T 3836.2-2021《爆炸性环境 第2 部分:由隔爆外壳“d”保护的设备》要求，防爆性能合格的隔爆外壳须通过下列试验：① 静压试验。隔爆外壳内充满水，保持外壳内1 MPa 水压1 min，隔爆外壳不滴水、不变形。② 动压试验。隔爆外壳放在试验罐内，先将外壳内抽真空再充满和试验罐内一样的爆炸性混合物，点燃外壳内的爆炸混合物，外壳不失爆、不变形。③ 抗冲击试验。用直径为25 mm、质量为1 kg 的半球形淬火钢制冲头，从距离隔爆外壳2 m 的高度垂直落到隔爆外壳最薄弱部位，外壳不变形。能满足上述3 项防爆试验要求的Q235 钢板的最小厚度为3 mm。

通过理论公式计算物质对X 射线的吸收要先确定X 射线的吸收系数，而X 射线包含了一系列不同波长的电磁波，同一种物质对X 射线的吸收系数是一个变数[14]，导致计算复杂、误差大。为减少计算误差，本文采用实测法获得X 射线穿过Q235 钢板的透射率。

透射率测试时采用500 W 的X 射线源，其管电压在0～160 kV、管电流在0～3.12 mA 范围内可调。检测X 射线的探测器采用灵敏度高的薄壁电离室（20 µm 厚的不锈钢钢窗）。

保持管电流500 µA 不变，设置管电压分别为100，120，160 kV。不加钢板时，X 射线探测器输出的空态信号电压分别为1.589 1，2.340，3.980 V。每增加一块1 mm 厚的钢板，记录X 射线探测器的输出信号电压，将信号电压与空态信号电压相比，得到不同厚度钢板下X 射线的透射率，见表2-表4。

表 2 管电压为100 kV 时X 射线穿过钢板的透射率Table 2 Transmittance of X-ray through steel plate at 100 kV tube voltage

表 3 管电压为120 kV 时X 射线穿过钢板的透射率Table 3 Transmittance of X-ray through steel plate at 120 kV tube voltage

由表2-表4 可知，管电压为100～160 kV 时的X 射线穿透3 mm 厚钢板后，矿用X 射线源隔爆外壳外的X 射线强度仅为隔爆外壳内的6.25%～13.13%，矿用X 射线源的辐射输出强度已不能满足X 射线透射式检测的性能要求。

表 4 管电压为160 kV 时X 射线穿过钢板的透射率Table 4 Transmittance of X-ray through steel plate at 160 kV tube voltage

3.2 X 射线透窗

为保证矿用X 射线源的X 射线辐射输出强度，在隔爆外壳上安装X 射线透窗[15]来减少隔爆外壳对X 射线辐射输出的衰减，增加透射率。

隔爆外壳上X 射线透窗的中心轴线与安装在隔爆外壳内的普通X 射线源的辐射输出窗口的中心轴线相重合，如图2 所示。X 射线透窗材料选用对X 射线衰减小的非金属材料-钢化玻璃。

图 2 X 射线透窗布置Fig. 2 X-ray transmission window arrangement

根据隔爆外壳的容积和X 射线透窗的面积，能满足隔爆性能要求的钢化玻璃最小厚度为6 mm[16]。

保持管电流500 µA 不变，设置管电压分别为100，120，160 kV。不加钢化玻璃时，X 射线探测器输出的空态信号电压分别为1.589 1，2.340，3.980 V。每增加一块1.93 mm 厚的钢化玻璃，记录X 射线探测器的输出信号电压，将信号电压与空态信号电压相比，得到不同厚度钢化玻璃下X 射线的透射率，见表5-表7。

由表5-表7 可知，管电压为100～160 kV 时的X 射线穿透7.72 mm 厚钢化玻璃制成的X 射线透窗后，透射率高达43.41%～54.59%，显著提高了矿用X 射线源的辐射输出强度，可以满足X 射线透射式检测的性能要求。

3.3 矿用X 射线源的辐射输出功率

由表7 可知，对于7.72 mm 厚钢化玻璃制成的X 射线透窗，管电压为160 kV 时X 射线透射率为54.59%。结合式（6），计算可得矿用X 射线源的辐射输出功率为90.839 mW×54.59%≈50 mW，满足GB/T 3836.22-2017《爆炸性环境 第22 部分：光辐射设备和传输系统的保护措施》中规定的输出功率不超过150 mW 的要求，满足X 射线辐射输出窗口工作区域内的辐射安全要求。

表 5 管电压为100 kV 时X 射线穿过钢化玻璃的透射率Table 5 Transmittance of X-ray through tempered glass at 100 kV tube voltage

表 7 管电压为160 kV 时X 射线穿过钢化玻璃的透射率Table 7 Transmittance of X-ray through tempered glass at 160 kV tube voltage

3.4 矿用X 射线源的辐射输出功率限值探讨

GB/T 3836.22-2017 规定了电磁波波长的适用范围为380 nm～10 µm、辐射输出功率限值为150 mW[17]。标准中涉及的光辐射设备是在适用的波长范围内用特定波长的激光，在煤矿井下应用的场景是激光测距、激光指向、激光通信。由于激光的频率、方向和相位的一致性，形成的光斑面积小；而380 nm～10 µm 波段范围的电磁波仅能与物质表面相互作用，在物质表面聚集能量、升高温度，电磁辐射输出功率超过限值后会形成点燃源。

可见光的波长范围为390～760 nm[18]，在GB/T 3836.22-2017 规定的适用范围内。煤矿井下照明用的防爆白炽灯将电能转换为光能的平均效率为10%～15%[19]，60 W 的白炽灯最低能产生6 W 的光辐射功率；防爆日光灯将电能转换为光能的平均效率为50%，30 W 的日光灯能产生15 W 的光辐射功率。由于照明光源在空间以点光源的形式向空间均匀辐射，不会在空间的某一点形成能量聚集，即使照明灯的光辐射功率远超GB/T 3836.22-2017 规定的150 mW 限值，也不会形成点燃源。通过知网查询，未有照明光点燃瓦斯的相关文献报道。

X 射线的波长范围为0.03～3 nm，不在GB/T 3836.22-2017 规定的适用范围内。医用X 射线血液辐照仪[20]（管电压为160 kV、输入功率为2 000 W、X 射线的辐射输出功率为24 W）对血液进行辐照，来减少输血的不良反应。当X 射线辐照血液时，由于X 射线具有较强穿透性，一部分X 射线与血液发生了电离作用，通过光电效应、康普顿效应实现能量转移；一部分X 射线从血液中透射过去，未与血液发生作用；仅有一小部分X 射线被血液吸收转变成热量。24 W 的辐射输出功率远超150 mW 限值，但辐照后的血液对人体依然适用[21-22]，没有产生任何生物性的损害。

X 射线在煤矿的应用场景是对检测物体大面积的区域性检测，不会像激光应用场景将X 射线全部聚集在某一点，造成热量聚集，形成点燃隐患。即使将X 射线聚集在某一点，由于X 射线的透射作用，能量转移也会在一个较大的体积内进行，产生的热量可以扩散出去，形成点燃源的风险极低。由于电磁波的波长不同，电磁波表现出的物理特性也不同。电磁波与检测物体发生相互作用，能否形成点燃源，波长是关键因素，辐射输出功率不是唯一指标，因此X 射线的辐射输出功率限值还需要进一步研究。

4 矿用X 射线源的安全性能

矿用X 射线源的安全性能涉及2 项国家标准：一是矿用X 射线源隔爆外壳的工作温度要小于GB/T 3836.1-2021 规定的150℃限值；二是矿用X 射线源的非工作区域X 射线泄漏的剂量当量率应小于GBZ 125-2009 规定的2.5 µSv/h 限值。

4.1 矿用X 射线源的工作温度

由表1 可知，管电压小于200 kV 的X 射线源只有不到2%的电能转换成X 射线，98%以上的电能消耗在X 射线管的阳极上并转换为热量，这些热量是造成X 射线源温度升高的主要原因。矿用X 射线源由于隔爆外壳的存在，造成密闭空间里的X 射线管铅室的热辐射、热对流条件变差，增加了X 射线源温度升高的风险。为保证矿用X 射线源的高稳定性工作，对X 射线管的壳体材料、散热设计和热功率控制提出了新要求。

4.1.1 矿用X 射线管壳体材料选择

X 射线管壳体材料常用的是玻璃和陶瓷[23-24]，主要性能指标见表8。

表 8 X 射线管常见壳体材料的主要性能指标Table 8 Main performance indexes of common shell materials of X-ray tube

由表8 可知，陶瓷壳体材料的机械性能、绝缘性能、导热性能均优于玻璃壳体材料，长期使用温度表现更佳。GB/T 3836.1-2021 规定煤矿用Ⅰ类设备的表面温度为150 ℃，因此矿用X 射线源使用的X 射线管优先选用陶瓷壳体。

4.1.2 矿用X 射线源的散热设计

X射线管由于射线屏蔽的要求被安装在铅室内，铅室安置在隔爆外壳内。铅室的散热方式有传导散热、自然对流散热、强迫风冷散热、绝缘油对流循环散热[25-26]。由于煤矿井下严禁使用油浸式电气设备，可选择的散热方式有传导散热、自然对流散热、强迫风冷散热。

为增加X射线管阳极的散热效果，X射线管的高压供电采用负高压。其优点是可以将X射线管的阳极直接固定在铅室的不锈钢壳上，用铅室的不锈钢壳作为X射线管阳极的散热器，阳极产生的热量直接传递到不锈钢壳上，加大了散热面积。铅室再直接固定在隔爆外壳上，通过隔爆外壳向周边环境散热，增加散热效果。

4.1.3 矿用X 射线源的热功率控制

X 射线在穿透3 mm 厚的隔爆外壳后，壳外的X 射线强度只有壳内的6.25%～13.13%。壳外的X 射线强度若要达到壳内的X 射线强度，管电流需要增加16～7.6 倍，X 射线管阳极产生的热功率也相应增加16～7.6 倍。

X 射线在穿透7.72 mm 厚的X 射线透窗后，窗外的X 射线强度达到窗内的43.41%～54.59%。窗外的X 射线强度若要达到窗内的X 射线强度，管电流需要增加2.3～1.8 倍，X 射线管阳极产生的热功率也相应增加2.3～1.8 倍。

由此可见，X 射线透窗能显著减小矿用X 射线源的管电流，减少X 射线管阳极产生的热功率，减少矿用X 射线源的温升。

X 射线源里设有电源控制模块，控制X 射线管的阴极灯丝电源、阳极高压电源的接通和断开，监测X 射线管的温升，实施过热保护，保证矿用X 射线源的隔爆外壳表面温度低于150 ℃，满足GB/T3836.1-2021 的要求。

4.2 屏蔽防护

为避免X 射线源对周围环境产生辐射影响，通常在X 射线管周围用3 mm 厚不锈钢+5 mm 厚金属铅制成铅室，在满足结构固定和散热的同时对非工作区域的X 射线进行屏蔽，防止X 射线泄漏。不同管电压的X 射线在穿过不同厚度的铅板时，X 射线的透射率见表9。

表 9 不同管电压时X 射线穿过屏蔽铅板的透射率Table 9 Transmittance of X-ray through shielded lead plate at different tube voltages

由表9 可知，管电压为160 kV 的X 射线在穿过3 mm 厚铅板时，仅有0.013 4%的X 射线穿出，99.986 6%的X 射线被铅板屏蔽。由表4 可知，穿过铅板的X 射线再穿过3 mm 厚不锈钢板时，其中只有13.13%的X 射线穿出钢板。因此，X 射线穿过3 mm 铅板+3 mm 钢板的透射率为0.013 4%×13.13%≈0.001 8%，表明铅室对非工作区域的X 射线具有良好的屏蔽效果。

在距矿用X 射线源5 cm 处，X 射线泄漏的剂量当量率实测值为1.0 µSv/h，满足GBZ 125-2009 中小于2.5 µSv/h 的限值要求。

5 结论

（1） 根据X 射线透射式检测的性能要求，提出了X 射线源的管电压宜在100～160 kV 之间选取，管电流控制在0.1～4 mA。X 射线源的辐射输出功率由辐射输出窗口面积和辐射功率共同决定。

（2） 矿用X 射线源的隔爆外壳会大大降低X 射线辐射输出强度，因此在隔爆外壳上安装钢化玻璃制成的X 射线透窗来增加X 射线的透射率。在最大管电压为160 kV、最大管电流为4 mA 的应用环境下，矿用X 射线源的辐射输出功率约为50 mW，满足GB/T 3836.22-2017 中输出功率不超过150 mW的要求。

（3） 从使用安全的矿用照明光源和医用X 射线血液辐照仪产生的辐射功率远大于150 mW 输出功率限值的应用实践出发，认为GB/T 3836.22-2017中规定的150 mW 输出功率限值不适用于矿用X 射线，有必要进一步研究矿用X 射线辐射输出功率的限值。

（4） 为降低矿用X 射线源工作温度升高的风险，提出了X 射线管宜选用导热性能好的陶瓷壳体，X射线管的阳极直接固定在金属外壳上以增加散热效果，采用X 射线透窗来减少X 射线管阳极产生的热功率。为避免矿用X 射线源对周围环境产生辐射影响，提出了将X 射线管安装在由3 mm 厚不锈钢+5 mm 厚金属铅制成的铅室中，对非工作区域的X 射线进行屏蔽，防止X 射线泄漏。